一種用于開發耐久的生物材料的新方法，該生物材料包含納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)納米復合物。本發明專利技術涉及提出一種基于在NCC粒子存在下L-丙交酯的原位開環聚合形成NCC-PLA超分子納米復合材料的方法。該材料是疏水的并與多種合成和天然聚合物相容。NCC-PLA納米復合物相對于PLA具有增強的功能(如氣體阻隔性)、流變性能和機械性能以及尺寸穩定性(即更少的濕膨脹率)。它們由完全可再生資源制備，并且具有潛在生物相容性以及可回收性。NCC-PLA超分子納米復合物可以懸浮在大多數有機溶劑中，或者干燥形成固體物質。它們可以采用常規聚合物加工技術來加工形成三維結構或紡成纖維、紗線或長絲。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)的納米復合物，以及制備該納米復合物的方法。該納米復合物為持久的、熱穩定的生物材料，其為疏水性的并且與大量合成和天然聚合物相容。NCC-PLA納米復合物相對于PLA具有增強的機械性能和尺寸穩定性(即更少的濕膨脹率)，并且具有潛在的生物相容性、可再回收性以及由完全可再生資源制備。NCC-PLA納米復合物可以懸浮在許多有機溶劑中或干燥形成固體物質，其可以用常規聚合物加工技術加工以發展三維結構。
技術介紹
在諸多方面，20世紀表現為塑料世紀。不可能設想當前世界沒有塑料。產品范圍從嬰兒瓶到包裝材料到飛機組件。雖然聚烯烴已經是幾乎所有商業塑料開發的基礎，但是由于涉及到再循環、健康和環境責任，關于它們長期應用的問題也已經凸顯，舉例來說，在 制造聚碳酸酯塑料和環氧樹脂中需要用化學基礎組分，如雙酚A(BPA)。作為回應，發展由可再生資源制備的生物塑料和生物材料的工作已經在努力進行中。納米晶纖維素(NCC)為高結晶纖維素，從木質或非木質生物質中提取。聚乳酸(PLA)為熱塑性的脂肪族聚酯，由乳酸(2-羥丙酸)基礎部分組成。PLA源自于可再生植物資源，例如淀粉和糖，并且在醫藥、工程和食品以及飲料包裝方面具有潛在的應用。PLA的降解可以通過酯鍵的水解完成，而不需要酶處理。然而，PLA與聚烯烴相比具有一定的局限性，特別是在加工過程中，這極大地限制了其應用。PLA本質上為吸濕性的并且具有低耐熱性。納米尺度增強可以用于提高聚合物的流變性能、機械性能和物理性能，由此提高他們的加工性、功能性和最終使用性能。由于其巨大的比表面積、高強度和高表面活性，NCC可以作為高性能增強劑。為了達到該目的，需要兩個關鍵條件(i)在聚合物基體中NCC極好的分散，和( )為了制備不同環境中極好的界面結構，兩者之間完美的相容性。研究表明在基體玻璃化轉變溫度以上NCC可以用于將一些納米復合物的儲能模量提高幾個數量級。通過配混NCC和PLA，有可能產生生物材料，其由完全可再生資源制備，具有令人滿意的性能。然而，由于NCC為親水性的而PLA為疏水性，相容性成為了關鍵且困難的問題。已經公布的結果表明，通過直接配混PLA和未改性的或僅僅用表面活性劑或聚合物相容劑物理改性的NCC來制備NCC-PLA納米復合物幾乎是不可能的。一項更近的研究表明，NCC在PLA基體中的分散可以通過用聚己內酯(PCL)接枝NCC來提高。然而，在這樣的體系中仍然觀察到納米粒子的聚集，并且得到的納米復合物的機械性能的提高是有限的。
技術實現思路
本專利技術尋求提供一種納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)的納米復合物。本專利技術還尋求提供一種制備納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)的納米復合物的方法。本專利技術還進一步尋求提供一種包含本專利技術納米復合物的組合物，其與高分子量PLA配混或共混。在本專利技術的一個方面，提供了一種納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)的納米復合物，其中所述PLA接枝在所述NCC上。在本專利技術的另一個方面，提供了一種制備納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)的納米復合物的方法，該方法包括在非水性介質中在NCC粒子存在下L-丙交酯的開環聚合。在本專利技術的再一個方面，提供了一種包含本專利技術納米復合物的組合物，其與選自PLA、聚羥基丁酸酯(PHB)或聚羥基脂肪酸酯(PHA)的聚合物(例如高分子量PLA)配混或共混。上述的配混或共混可以通過例如共擠出、注塑或其它聚合物加工技術來進行。附圖說明·圖I :為L-丙交酯與NCC原位接枝共聚合的步驟流程圖。圖2 :為NCC,PLA和NCC-PLA納米復合物的固態13C核磁共振(NMR)譜圖。納米復合物樣品峰與NCC和PLA單獨的峰相匹配，這表明在NCC存在下使用L-丙交酯的原位開環聚合進行了成功的合成。圖3 為PLA和NCC-PLA納米復合物膜的差示掃描量熱響應曲線。納米復合物膜相對于PLA表觀出顯著改善的結晶，這表明提高的結構整體性、熱和尺寸穩定性。實際上，NCC可以幫助克服PLA加工和轉換的問題。(Tg =玻璃化轉變溫度；T。=結晶溫度；Tm =熔融溫度)圖4:為隨溫度變化的儲能模量曲線，其顯示PLA鑄膜相比于具有不同重量比的相容化NCC鑄膜的動態力學響應。增加的NCC含量顯示了最終產品改善的軟化性，其表明更高的結晶度。相容化NCC或根據本專利技術制備的NCC-PLA超分子材料通過鑄膜與工業級PLA共混。圖5:為隨溫度變化的儲能模量曲線，其顯示PLA和通過不同于圖4所示的方法制得的NCC-PLA納米復合膜的動態力學響應。這些樣品通過共擠出復合，然后壓縮模塑以形成膜。快速冷卻表明了該過程，并且PLA完全是無定形的。增加的NCC含量表明提高最終產品的結晶度的能力，以及因此提高最終產品的力學響應的能力。具體實施例方式本專利技術涉及一種用于開發耐久的、熱穩定的生物材料的新方法，該生物材料包含納米晶纖維素(NCC)和聚乳酸(PLA)納米復合物。該新方法利用NCC粒子與L-丙交酯的原位開環聚合來形成NCC-PLA納米復合材料。得到的材料為疏水的并且與大量合成或天然聚合物相容。NCC-PLA納米復合物相對于PLA具有增強的機械性能和尺寸穩定性(即更少的濕膨脹率)。它們具有潛在的生物相容性，可再回收并且由完全可再生資源制得。它們能夠懸浮在大部分有機溶劑中或者干燥形成固態物，其可以利用傳統聚合物加工技術加工以產生三維結構。納米晶纖維素(NCC)通過典型的化學木漿的酸水解萃取為膠體懸浮物，但是其它的纖維素材料，如細菌、含纖維素的海洋動物(例如被囊動物)或者棉花也可以使用。NCC由纖維素構成，該纖維素為由β (1 — 4)連接的D-葡萄糖單元的線性聚合物，其鏈排列形成晶體和無定形區域。通過水解提取得到的NCC具有90彡DP彡110的聚合度(DP)和每100個葡糖酐單元3. 7-6. 7個硫酸鹽基團。NCC包含微晶，根據提取中所用原料，其物理尺寸范圍在橫截面上為5-10nm，在長度上為20_100nm。如果適當地 衍生或通過空氣、噴霧或冷凍干燥自組裝形成固體材料，這些帶電的微晶可以懸浮在水中或其它溶劑中。當干燥時，NCC形成棒狀平行六面體結構的團聚體，其具有納米范圍的橫截面(5_20nm)，同時它們的長度為更大數量級(IOO-IOOOnm)，這導致了高縱橫比。NCC的特點還在于高結晶度(> 80%，更有可能在85%和97%之間)，這接近于纖維素鏈的理論極限。纖維素鏈之間的氫鍵可以穩定NCC的局部結構，并且在晶體區域的形成中起到關鍵作用。結晶度，定義為樣品的晶體分數，極大地影響NCC的物理和化學性能。例如，NCC的結晶度直接影響化學衍生的可行性、溶脹和水粘性。與沒有NCC存在下的L-丙交酯開環聚合形成的PLA相比，本專利技術的納米復合物為疏水的并且具有提高的模塑特性、熱力學性能和氣體阻隔性能。在該過程中，使得PLA接枝形成于NCC上的原位聚合由NCC上的羥基引發，或者可以部分地通過NCC上的羥基引發并部分地通過添加的引發劑提供聚合反應的羥基源，例如醇，用于聚合體系的合適的醇包括苯甲醇和I-十二烷醇。納米復合物中的NCC保留了接枝前原始NCC的結晶特性。然而，當與NCC-PLA納米復合材料(即在NCC上接枝PL本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：W·Y·哈馬德，苗傳威，
申請(專利權)人：FP創新研究中心，
類型：
國別省市：
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